遇事不决… 平行宇宙？

在漫威宇宙的新故事中，我们看到多元宇宙给漫威的故事世界拓展到了一个新框架。在众多的电影、电视或我们的想象中，多元宇宙的概念十分常见。我们被多元宇宙的观念环绕着，它为我们提供了一个非常诱人的假设：我们的现实并不是唯一的。

多元宇宙的概念并不是在作家的神来之笔中孕育出来的，而是从物理学家满黑板的公式中推导出来的。当然，科学定义的多元宇宙和我们在电影电视等媒体中看到的多元宇宙的概念有一点小不同。探索多元宇宙的故事不再伴随着英雄和恶魔的爱恨情仇，而更多的是数学公式的精妙演绎。但媒体网络上甚嚣尘上的多元宇宙概念实际上是建立在一个有些道理的科学假设上。这个科学假设是可验证的，并且已经得到了验证。

多元宇宙的概念能够追溯到古代，它起源于一个开放的议题：在寰宇中，有没有和我们一样的世界可能存在。（或是 "宇宙"的不同概念）而在现代物理的探索当中，这个说法只在少数不同的领域出现。

为了对多元宇宙进行定义，我们首先得要对宇宙进行定义。在严格定义中，宇宙是指人类可以观察到的最远的空间极限。我们的宇宙是如此的古早，并且光速是如此的快，以至于从我们在地球上的视角来看的话，我们会感觉被困在一个球状的空间中，这个球的半径大约为 450 亿光年，并包含了从古至今所有达到地球的光。

六合之外，星辰万象。在人类所能观察到的宇宙极限外还分布着更丰富的群星和星系。宇宙极限外的这些群星与我们没有任何联系，空间的永恒膨胀也使我们渐行渐远。宇宙中潜伏的暗能量加速了空间的膨胀，使星系之间相互远离的现象得以加剧。我们永远无法观测到这些区域，并无法到达这些空间，所以宇宙这片超过人类观察极限的部分代表了最无聊但同样也是最没有争议版本的"多元宇宙"：即我们宇宙的延伸，它包含了和我们所能观察到宇宙一样、但是排列方式不同的物质。人类观测极限之外的宇宙是基于宇宙大爆炸模型的预言 -- 它是宇宙膨胀的自然推论 -- 但这部分宇宙也不会有观测结果，所以没有人真正争论它，也没有人真正在意它。换句话说，这种"多元宇宙"并没有什么特别之处。

而第二类多元宇宙，也是更令人激动的一类多元宇宙模型，来源于量子力学基本原理和一种对于"多重世界"的诠释。这种观点认为每一次在微观世界发生概率过程（这种过程实际上无时无刻不在发生），宇宙就会产生不同演化过程的分支，每一个分支的宇宙代表了微观世界某种概率事件发生对应的过程。比如说：在我们的宇宙一个微观粒子在向左移动，而在另一个"宇宙"中则是向右运动。然而，这种"多元宇宙"观点建立在对于量子力学中"测量"（这是一个非常重要的概念）概念的确切含义的理解上。而对于测量的理解则是一个非常棘手的辩论。更进一步说，物理学家们甚至无法确定能否对微观世界的测量的不同猜想进行实验验证 -- 或是无法确认这些猜想是否具有物理学意义 -- 所以大部分的物理学家都在极力避免关于测量这一话题的讨论。

那么我们接下来就要讨论第三类多元宇宙，即建立在宇宙暴涨基础上的多元宇宙理论，这也是在所有多元宇宙理论中最为有趣的多元宇宙理论，因为这个理论建立在一个关于早期宇宙的可能理论上，并且科学家们有一定的手段验证这个理论。这个多元宇宙理论可能能够实现大荧幕上的各种多元宇宙梦，或是我们心中对于多元宇宙的愿望。这个多元宇宙理论可能被我们所证实，这个多元宇宙理论可能就是真实的。

多重分支宇宙

暴涨理论最早可以追溯到理论物理学家阿兰・古兹（Alan Guth）提出的观点，他于 1981 年在一篇论文中最早提出了暴涨理论的雏形。为了合理解释早期宇宙模型中的一些非常令人困惑的难题（例如，高能物理学家的一般预言要求宇宙存在一些新奇现象，例如磁单极子，但是这些现象到目前为止仍未被观察到），古兹提出宇宙初期经历过一段超快膨胀的短暂时期，这也被称之为宇宙暴涨。这一过程将所有的单极子抛射出了人类宇宙观测极限外，将它们扫到宇宙学地毯下。

暴涨理论也恰好能够解释平庸宇宙大爆炸模型中的其他问题，例如宇宙如何能够在它相对短暂的时间内形成如此规整的结构。宇宙暴涨理论很好的解释了这一切：如果宇宙飞速膨胀至无比巨大的程度，那么宇宙最终都将归于均匀。

这种多元宇宙理论也许将使电影中多元宇宙的遐想成真。

但暴涨理论背后，同时也是大多数天文学家相信暴涨理论的原因是，暴涨理论能够非常合理地解释星系、宇宙纤维、宇宙空隙 -- 这些填补宇宙网络的大结构的来源。在宇宙暴涨理论的框架下，我们的宇宙飞速膨胀，微观量子体系膨胀至相对宏观的尺度，在宇宙中播撒下引力的种子，在引力的作用下，经历了数百万年的演化之后，我们的宇宙形成了星系、银河和更为丰富的内容。

物理学家无从得知宇宙暴涨过程的能量从何而来，也无从知晓宇宙暴涨持续了多久，以及为什么宇宙暴涨停止了，但是宇宙暴涨理论对于宇宙宏观结构的统计特性的预言与人类的观测极其精准地吻合，因此暴涨理论也一直被天文学家所接受。

最后一个问题 -- 宇宙暴涨为何停止 -- 仍然值得商榷。我们非常容易想象，宇宙暴涨，这个非常宏伟的过程在宇宙大爆炸的早期突然发生，但很难想象的是，这个过程就这样悄无声息地停歇了，离开宇宙舞台，再也看不到了。

也许宇宙暴涨从未停止，而是一直在悄无声息地进行着，只是不在这儿，不在我们所在的宇宙中。确实，一些物理学家认为宇宙暴涨是量子力学内禀的随机性自然导致的结果。这个过程仅仅需要粒子发生一点微小的量子震荡，并且宇宙暴涨这个过程并非在宇宙的各个角落同时停止。也许我们的宇宙只是一个更宏大的宇宙区域的一部分，这个部分的宇宙作为分支产生并稳定下来，进入一个更为平静的生长阶段。与此同时，在我们的宇宙小球空间之外，宇宙暴涨仍在继续，伴随着更多的宇宙相互分离并稳定下来，导致其他宇宙在时间和空间上与我们所在的宇宙相隔绝。

这种"永恒的宇宙暴涨"的理论将"我们的宇宙之外只是一些更多的东西"的朴素想法推广至了更高的境界。在人类的可观测极限之外不仅仅只存在一个宇宙，而是有浩如烟海的宇宙，这些宇宙类似泡状，每一个相互间隔的宇宙都与相邻的宇宙大小相近，同时不同的宇宙之间由永无边际的空间隔绝开来。所有的这些宇宙起源于一个过程 -- 最初的宇宙大爆炸 -- 但是宇宙暴涨永不停息，因此独立的宇宙数目很快就数之不尽。

值得一提的是，在这个因宇宙暴涨而诞生的多元宇宙理论的原始版本中，人类所在宇宙与其他宇宙遵循同一套物理规律。其他宇宙中，大自然的力和我们所在的宇宙中的自然力是一样的。例如，在多元宇宙的各个宇宙中，光速是相同的。

但是你将宇宙暴涨理论和弦理论结合到一起时，事情变得疯狂起来了。弦理论是在十九世纪六十年代为了解释强相互作用而提出的理论，然后逐步发展成为用于解释一切事物的可能理论。在过去的几十年，物理学家一直在寻求一种大统一理论，希望能解决这一数学谜题，从而能够解释一切事物，是字面上的：一切事物。这包括自然中的力，粒子家族以及他们的质量，物理常数的值，甚至是空间维数。

弦理论表示我们的宇宙包含了其他维度，这些维度都弯曲成非常微小的尺寸，因此我们实际上无法正常观察到它们。这些维度发生弯曲的方式决定了我们观察到的物理现象，但是维度弯曲的方式有大约 10500 种，而弦理论无法确定哪一种维度弯曲的方式对应着我们所在的宇宙。

当你将弦理论与宇宙暴涨理论结合起来时，你就有机会得到弯曲维度的所有构型 -- 同时也是宇宙暴涨使宇宙发展成为具有不同物理规律多元宇宙的机理。在弦理论中，如果我们的宇宙在宇宙暴涨过程中产生了不同构型的弯曲维度，我们的宇宙本可能是另一幅完全不同的面貌，并且具有不同的物理常数，甚至是不同的自然力。并且如果宇宙暴涨从未终止，那么也许不同的多元宇宙具有不同的物理现象和物理规律，不同的物理常数，甚至是不同的现实。

这就是无尽的多元宇宙。这一理论有可能会解决物理学和宇宙学中某些深层次的问题。

例如，在本世纪之初，物理学家希望合理解释暗能量，以及宇宙膨胀过程的加速。暗能量中最奇怪的一件事是它非常微弱 -- 导致宇宙膨胀的微小的加速 -- 但不完全为 0。这似乎是一种微调；如果暗能量有一个稍微不同的值，我们所熟知的世界就将不复存在。

由弦理论推动建立的多元宇宙概念提供了一种解决上述问题的方向。在众多具有不同暗能量强度的多元宇宙中，我们正好在我们所处的这个宇宙中，因为我们可能根本无法存在于其他的宇宙中。

多元宇宙偶遇

多元宇宙最让人感兴趣的是多元宇宙理论的可测量的预言。不然这些多元宇宙也只能是某些无聊的物理学家空想出来的不切实际的想法。

目前有几种验证由宇宙暴涨导致的多元宇宙的理论。例如，如果一个近邻的宇宙在我们的宇宙形成初期就被挤开，那么这个近邻的宇宙大概率在远离我们宇宙之前与我们的宇宙发生碰撞。在现在我们所处的阶段，多元宇宙之间发生碰撞的几率非常之小，因为宇宙暴涨使宇宙膨胀发生的如此之快（实际上是以超光速的速度进行的），并且宇宙大爆炸已距今有 140 亿年的历史了，因此其他任何的宇宙都与我们的宇宙相隔遥远。

但是如果一个邻近的宇宙形成的足够早、足够快，那么这个宇宙在其形成初期就能够与我们的宇宙相碰。这种短暂的邂逅能够在我们的宇宙的微波背景辐射下留下一个可以探测的印记。宇宙微波背景辐射是我们的宇宙在三十八万年左右从等离子气团形成稳定的状态时，形成的余辉光。余辉光是我们能够直接观察到的最遥远的事实，并且这是我们能够观察到这种宇宙碰撞的最好机会。

我们能够身处我们所在的宇宙因为我们无法存在于其他宇宙。

这是一个可验证的、真实的科学预言。哎呀，但是寻找这样的信号一直徒劳无获。但是寻找不到信号的现象并不能否定整个多元宇宙的概念，只是这种信号在我们的宇宙和其他宇宙发生碰撞的有限场景中才会出现。

因为我们缺少直接的实验验证方式，我们不得不采用一种间接的验证方式。我们可以演绎宇宙暴涨的理论和模型，试图确认多元宇宙是否是所有暴涨模型的通用的、自动的结果（这是物理上最可靠或最简单的情况），或者只有部分暴涨模型导出多元宇宙，又或者没有任何暴涨模型可以给出多元宇宙。不幸的是，宇宙暴涨理论需要超高能物理理论为基础，但是人类在这些方面仍然缺乏认知 -- 也就是说，没有迹象表明每一种宇宙暴涨理论都能推导得到多元宇宙理论。

我们同样也可以用同样的方法论证宇宙暴涨这一理论。如果观测结果能够告诉我们哪一个宇宙暴涨模型是正确的，那么我们可以验证在某一特殊的例子中 -- 例如我们的宇宙 -- 是否会产生一个多元宇宙。我们无法直接观测到宇宙暴涨，因为这一过程发生的时间过早了，但是我们可以观测宇宙暴涨的效应，尤其是通过宇宙微波背景辐射。当天文学家在二十世纪九十年代利用 NASA 的宇宙背景探测器卫星第一次测量宇宙微波背景辐射的微小波动时，宇宙暴涨理论是唯一能够正确预测宇宙微波背景辐射的统计学特性的理论。但是，其他相同的观测 -- 以及很多后来的观测任务 -- 都没能告诉我们众多的宇宙暴涨模型中哪一种模型是正确的，更不用说为宇宙暴涨理论提供成功的、板上钉钉的论证证明。

但是，将来的宇宙观测仍然可能提供一些突破性发现。宇宙暴涨理论应当在宇宙时空中留下波动痕迹，这也被称为引力波。我们已经能够利用 LIGO（激光干涉引力波天文台）观测到由天体融合发出的引力波，但是这些设备没办法探测到在宇宙暴涨期间发出的低频引力波。所以目前科学家们计划利用太空观测设备，例如 LISA（激光干涉空间天线）直接探测这些低频引力波，或是间接地利用这些低频引力波在宇宙微波背景辐射中留下的痕迹证实它们的存在。只有时间会告诉我们这些努力是否会有收获，并最终引导我们找寻到确定（或否定）宇宙暴涨的证据。

但是甚至说当我们能够做到了这一点 -- 证明宇宙暴涨理论是唯一能够合理解释早期宇宙发生的进程的理论，并在数学上推导出多元宇宙是宇宙暴涨模型的有机拓展 -- 我们仍然没有足够的证据表明多元宇宙的存在。

诚然，我们能够在一个我们能够很容易接触到的范围内测试一个理论（比如，在太阳系中验证广义相对论）并且基于数学上的一致性和物理学的通用性的原则，将这一理论拓展到我们宇宙中人类所不能及的区域，以此推断在那些区域中发生了什么过程（例如，在黑洞内部发生了什么），但是人类也仅止步于此了。确实，以黑洞为例，我们清楚广义相对论在黑洞的奇点中会失效，因此即便我们无法进入黑洞（无法亲自进入到黑洞的事件视界以内），我们仍然明白广义相对论也存在理论自身的不足。

不幸的是，我们无从得知多元宇宙是否真的存在，并且我们也许永远不会知晓。

许多人的坚持

尽管在 21 世纪初期，人们对多元宇宙话题的关注度激增，但是针对多元宇宙的理论工作和观测工作在过去十年间一直停滞不前。一部分是因为科学研究的本性：针对早期宇宙的观测要求大量时间进行规划、部署以及海量的观测。但是还有一部分关注度的下降是由于多元宇宙的概念本身界定模糊。

多元宇宙理论背后最好的论据是它有可能会合理解释我们宇宙的一些基本特性为何是这样的：因为其它的力、质量和常数会使得我们的宇宙变得不适宜生存，人类也就不复存在。这就是人择原理，这一原理被其支持者认为是理解现实的可行方式。

每当我们打开书本或看一部电影时，我们就创造了一个交替现实。

但是对该理论批评的人支出这一理论的几点不足之处。我们真的想要让我们的科学论证在这个逻辑死结中停歇吗？所有的多元宇宙难道都会遵从不同的物理规律吗？人类所处的宇宙具有常数配置在其他多元宇宙是罕见的还是常见的？以及我们如何在不弱化一个充满了假设的理论的论证的严谨性的前提下，在无限多个多元宇宙的尺度下测量宇宙常数配置？

弦理论 -- 这一要求每一个在多元宇宙具有其独特物理规律的理论 -- 也遇到了自身的难题。研究弦理论的理论物理学家还没有找到一个解决方案 -- 或者说任何的解决方案。尽管我们现在知道宇宙中其他维度弯曲的方式决定了我们宇宙的物理规律，我们仍无法明白这其中的机制是怎样的。如果你给研究弦理论的物理学家一个其他维度的特定参量，他们无法告诉你这一参量下宇宙的物理规律是怎样的。同时，许多版本的弦理论都是基于超对称性建立的，但是这些理论现在看来是非常的粗略的，因为大型强子对撞机没能找到任何弦理论的实验依据。

多元宇宙的概念并非死气沉沉，而是像科学中其他一开始看似非常具有前瞻性，但是却无法产出观测成果甚至是理论的灵感的想法一样。多元宇宙的物理概念正在走向没落。物理学家不再更多地关注多元宇宙这一理论，并且论证多元宇宙存在的论据和几十年前多元宇宙概念的提出的时候相比并未变得更加丰富。大多数支持多元宇宙的论据都还属于物理学的未知之境中。

不过多元宇宙的概念仍然存在着。在一个无尽的多元宇宙模型中，所有可以发生的过程都将发生。在其他的多元宇宙中，你能邀请你的心上人共赴约会，或是接受那项工作。并且这一切并不是发生在某些想象之地或是"平行"（无论这个词意味着什么）的现实中。所有这些其他的多元宇宙泡共同占据了整个多元宇宙宏大的空间。他们和我们同时存在于同一个时空领域。

多元宇宙与我们无比的遥远，但是仍然具有有限的距离。当你把手指向天空中的任意方向，如果沿着那个方向延伸足够长的距离，那么你将会遇到另一个多元宇宙，在那个多元宇宙中另一个你正在做着相同的事情，把手指向着你。在无穷无尽的多元宇宙中，你的人生的所有可能，以及其他人的人生的所有可能，以及群星、星系、氢分子的所有可能的相互作用，以及甚至有可能是自然力和物理常数的各种不同的组合，都是真实的。

当然如果多元宇宙存在那真是泰裤辣。多元宇宙的想法深深诱惑着我们，这意味着每当我们打开一本书或在看一部电影时都会演绎出不同的现实：每一部科幻小说都是对多元宇宙的一次演绎。在科幻的多元宇宙中的物理规律与人类所栖息的宇宙相似，但是也有一些不同。在多元宇宙中，我们的梦想能够实现，尤其是在那些具有不同物理学规律的多元宇宙中。你想要飞翔？在其他的多元宇宙中给"你"安排上。在其他的多元宇宙中也许"你"正在这样做！你想要在早餐时吃星星？没问题，多元宇宙也能给你安排上。你想拥有魔法？当然，为什么不行呢？

多元宇宙的概念让我们的想象变成现实。我们无法接触、遥遥相隔，但是却又在理论上存在这种可能。并且甚至在科学的严谨研究中多元宇宙的概念黯然褪色，但是我们也牵挂着多元宇宙的可能性。这不是一件坏事：毕竟科学总是在实现人类的梦想过程中前行的。

作者：PAUL M. SUTTER

翻译：*0

审校：利有攸往

原文链接：Doctor Strange and the Multiverse in Science

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：PAUL M. SUTTER